Chapitre 4: L’origine et l’évolution des océans.

Testez vos connaissances:

Les mots-clés que vous allez devoir maitriser: densité; granite, basalte, gabbro; péridotite; fusion partielle, plagioclase, pyroxène; olivine; roche magmatique; roche plutonique; roche volcanique.

L’essentiel :

La distribution bimodale des altitudes observée entre continents et le fond des océans reflète un contraste géologique, qui se retrouve dans la nature des roches et leur densité. En effet, comment expliquer que l’altitude moyenne des continents soit plus élevée que celle des océans si ce n’est par une différence au niveau des roches.

Si la composition de la croûte continentale présente une certaine hétérogénéité visible en surface. Une étude en profondeur révèle que les granites en sont les roches les plus représentatives. La composition de la croute océanique n’a rien a voir avec celle de la croute continentale. Les roches les plus représentatives sont le basalte et le gabbro. La densité de celles-ci est plus grande que celle du granite, c’est ce qui explique en partie la distribution bimodale des altitudes.

La divergence des plaques de part et d’autre de la dorsale permet la mise en place de la croûte océanique. La péridotite est la roche du manteau qui se trouve sous la croute, c’est donc elle qui représente le candidat source des roches océaniques. La question qui se pose est de savoir comment une roche appelée péridotite puisse être l’origine de deux roches qui s’appellent basalte et gabbro? La réponse se trouve dans deux expressions: fusion partielle et cristallisation fractionnée. La fusion partielle de la péridotite donne des magmas qui remontent. Cette fusion partielle n’a lieu qu’à cet endroit: c’est le résultat d’une décompression liée à la divergence. Ces magmas sont riches en plagioclase et pyroxène et pauvre en olivine, ce qui fait que leur composition diffère de celle de la péridotite d’origine. Puis, lors d’une cristallisation qui ne se fait pas en même temps, les minéraux vont se distribuer différemment dans le gabbro et le basalte, raison pour laquelle, la fusion d’une péridotite donne deux roches différentes après refroidissement. Il existe des dorsales lentes, comme celle de l’Atlantique et des dorsales rapides comme celle du Pacifique. Sous celle-ci on a mis en évidence une chambre magmatique très proche de la surface. La nouvelle lithosphère formée refroidit en s’éloignant de l’axe et s’épaissit. Cet épaississement par ajout de péridotite du manteau induit une augmentation progressive de la densité de la lithosphère océanique. La croûte océanique et les niveaux superficiels du manteau sont le siège d’une circulation d’eau qui modifie les minéraux: on parle de circulation hydrothermale dont les fumeurs noirs sont la manifestation la plus spectaculaire.

C’est ainsi que l’océan Atlantique s’est formé depuis 140 Ma, et se forme encore, tout comme la mer Rouge. Les premiers stades d’une océanisation consistent toujours en une fracturation de la croute continentale formant un rift comme le rift Est-africain ou comme la fossé rhénan. Eh oui, si le phénomène s’était poursuivi, en Alsace nous aurions la mer entre Vosges et Forêt Noire. Mais la divergence s’est arrêtée et le fossé fut comblé par les apports du Rhin: plus de 1000 km d’épaisseur! Cette curiosité géologique explique trois choses: les bains chauds de Bad Krozingen, la présence de volcans et les séismes comme celui qui a détruit la ville de Bâle en 1356. Aujourd’hui encore, le sol alsacien s’enfonce de 1 cm/an à l’origine des secousses régulières que nous ressentons. On peut discuter de la pertinence de l’installation de réacteurs nucléaires dans la région la plus sismique de France…

Le microscope polarisant:

https://geologie.discip.ac-caen.fr/Micropol/index.html

On vient de voir que la croûte océanique est composée de basalte reposant sur du gabbro. La composition minéralogique des deux roches est la même, seule diffère la structure : le gabbro est entièrement cristallisé, pas le basalte : comment expliquer cela ?

Pourquoi un gabbro est-il entièrement cristallisé et pas un basalte alors que les deux roches se forment au même endroit ?

On se propose de comprendre cette différence en réalisant une expérience sur une substance chimique : la vanilline.

La vanilline est une molécule organique extraite de la gousse de vanillier ; elle peut être obtenue par synthèse et disponible sous forme cristallisée. Sa température de fusion est facilement atteinte au contact de la plaque chauffante.

  • Déposez, à l’aide de la pointe d’un scalpel, un peu de poudre (moins on en met, mieux ça marche) de vanilline au centre de la lame ; recouvrez d’une lamelle.
  • Portez la lame tenue par une pince en bois au-dessus de la plaque ; retirez sans attendre lorsque la fusion de la vanilline est réalisée ; appuyez sur la lamelle ; posez la lame sur un coin de la plaque et attendez 5 minutes.
  • Répétez l’opération avec une autre lame puis déposez rapidement sur la glace bien à l’horizontale pendant 5 minutes.
  • Observez successivement chaque lame au microscope polarisant.
  • Réalisez deux dessins comparatifs.
  • Constatez la différence essentielle entre les deux observations et précisez le paramètre variable de l’expérience.
  • A partir de cette expérience, que peut-on comprendre de la structure du basalte et du gabbro ?

Conclusion : les basaltes et les gabbros sont issus d’un magma présent sous la dorsale.

Pourquoi la péridotite fond-elle unique au niveau de la dorsale alors qu’elle présente partout sous la croute océanique ?

Étude des variations de températures au niveau de la lithosphère océanique :

Sous les croûtes océanique et continentale, on trouve de la péridotite. Donc, le plus logique serait que cette roche soit à l’origine des gabbros et basaltes de la croûte océanique. Mais pourquoi cette péridotite fond-elle uniquement au niveau de la dorsale ?

Pour que la péridotite soit le matériel à l’origine d’un magma, il faut des conditions qui permettent sa fusion. On a donc soumis un échantillon de péridotite à des conditions de pressions (qui dépend de la profondeur) et de températures variables.

On a appelle solidus la droite obtenue : le domaine se situant avant de franchir la courbe est le domaine où la péridotite est entièrement solide ; après, elle commence à fondre tout doucement.

On compare la courbe du géotherme d’une dorsale, c’est-à-dire, la courbe d’augmentation de température lorsque l’on s’enfonce dans la croute ou le manteau sous la dorsale à celle du géotherme sous la plaine abyssale.

Le tableau ci-dessous résume les résultats obtenus.

Profondeur en km015204080120160
Température du géotherme sous la plaine abyssale (en °C)04005001000130014001500
Température du solidus en°C1200123012601300140015001600
Température du géotherme sous une dorsale (en °C)0100013001350140014501500

Travail à effectuer:

  • Tracez à la main, sur le même graphique, les courbes de variation de la température du géotherme sous la plaine et sous la dorsale ainsi que celle du solidus en fonction de la profondeur et de la pression (2 axes pourront être tracés)

Attention, l’axe des ordonnées représentant la profondeur et la pression sera dirigé vers le bas et non vers le haut comme on le fait habituellement.

  • Repérez le point de rencontre des deux courbes : c’est là qu’à lieu le début de la fusion partielle de la péridotite. (Notez cette information sur votre graphique.)
  • Avant ce point, en profondeur, hachurez le domaine où la péridotite n’est présente que sous forme solide et notez cette information.
  • Puis en remontant vers la surface, hachurez le domaine où coexiste de la roche solide et du magma, notez cette information également.
  • Répondez à la question de départ.

Une fois formée, comment expliquer que le plancher océanique semble s’affaisser en s’éloignant de la dorsale?

Pour répondre à cette question, faites l’activité proposée sur la fiche à télécharger:

Si la lithosphère océanique devient plus dense que l’asthénosphère à partir d’un certain âge, celle-ci doit forcément s’enfoncer dans le manteau puis disparaitre:

Comment peut-on montrer l’inéluctable disparition du plancher océanique ?

Pour répondre à cette question, télécharger l’activité suivante:

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